Взаимодействие с неметаллами: кислород и сера
Реакции углерода с неметаллами протекают при повышенных температурах и имеют огромное практическое значение.
Горение (реакция с кислородом) Процесс сжигания угля протекает с выделением большого количества тепла (экзотермическая реакция). Стоит отметить, что теплота сгорания угля до углекислого газа эквивалентна теплоте сгорания графита. Если кислорода недостаточно, происходит неполное сгорание. В этом случае продуктом реакции является оксид углерода(II), более известный как угарный газ. Это вещество отличается высокой токсичностью. Уравнение неполного сгорания: 2C + O₂ = 2CO (изменение энтальпии составляет -221 кДж).
Реакция с серой Если над раскаленным углем пропустить пары серы, синтезируется сероуглерод (CS₂). Данная реакция требует затрат энергии (эндотермическая, энтальпия 89,4 кДж). Образующийся сероуглерод представляет собой летучую, крайне огнеопасную и ядовитую жидкость, обладающую резким отталкивающим запахом. В химической практике он находит применение в качестве растворителя.
Реакции с металлами и их оксидами
При нагревании с металлами углерод проявляет окислительные свойства, присоединяя электроны и образуя бинарные соединения — карбиды.
Примеры образования карбидов:
- С кальцием: Ca + 2C → CaC₂ (при нагревании)
- С алюминием: 4Al + 3C → Al₄C₃ (при нагревании)
Восстановление металлов из оксидов Одно из важнейших промышленных свойств углерода — способность забирать кислород у оксидов металлов при высоких температурах. Этот процесс лежит в основе пирометаллургии. Пример восстановления цинка: ZnO + C → Zn + CO
Однако у этого правила есть исключение: наиболее термодинамически устойчивые оксиды металлов (например, оксид алюминия Al₂O₃) восстановить обычным углем невозможно — они с ним не реагируют.
Отношение к кислотам-окислителям и щелочам
Обычные кислоты на углерод не действуют, однако сильные кислоты-окислители при нагревании способны перевести его в углекислый газ.
- Концентрированная серная кислота: окисляет углерод с выделением сернистого газа.
C + 2H₂SO₄(конц.) → CO₂↑ + 2SO₂↑ + 2H₂O
- Азотная кислота: реакция идет с выделением оксида азота(II).
3C + 4HNO₃ → 3CO₂↑ + 4NO↑ + 2H₂O
В отличие от кислот, с растворами и расплавами щелочей уголь в химическое взаимодействие не вступает.
Взаимодействие с солями
Углерод способен реагировать с солями кислородных кислот при нагревании, выступая в роли мощного восстановителя (связывает кислород из состава соли). Характер этих реакций сильно зависит от природы соли:
- С нитратами: реакция протекает бурно, с огромным выделением тепла (сильно экзотермическая).
5C + 4KNO₃ = 2K₂CO₃ + 3CO₂ + 2N₂ (энтальпия -1504,1 кДж)
- С сульфатами: реакция требует постоянного подвода тепла (эндотермическая).
4C + BaSO₄ = BaS + 4CO (энтальпия 571,2 кДж)
Чтобы не путать роль углерода: с металлами он «жадный» (забирает электроны, образуя карбиды), а со сложными веществами (оксидами, кислотами, солями) — «щедрый» (отдает электроны, забирая кислород).
Вопросы с занятий и экзамена
Можно ли растворить углерод в щелочи?
Нет, простое вещество углерод химически инертно по отношению к щелочам и с ними не реагирует.
Почему при печном отоплении может образоваться ядовитый газ?
При недостатке притока кислорода происходит неполное сгорание угля, в результате чего вместо безопасного углекислого газа образуется токсичный угарный газ (CO).
Можно ли получить алюминий из его оксида с помощью угля?
Нет, оксид алюминия относится к наиболее устойчивым оксидам, которые не восстанавливаются углеродом при нагревании.
Что ещё разобрать по теме
- Термодинамика полного и неполного сгорания угля
- Свойства и токсичность сероуглерода
- Пирометаллургия: границы применимости углерода
- Окислительно-восстановительные процессы при взаимодействии с солями
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Химические свойства простого вещества углерода» и ещё 3 009 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 90 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 12. Элементы группы IVA»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.